一种斜锥圆台的等速椭圆轨迹激光精密加工方法
【专利摘要】本发明提供了一种斜锥圆台的等速椭圆轨迹激光精密加工方法，包括：(1)将斜锥圆台工件由仿形夹具装夹在旋转台上；(2)将加工头安装于斜锥圆台的表面上方，所述加工头具有两个运动自由度；(3)控制加工头从椭圆圆锥曲线的初始位置A点开始，以顺时针方向，沿Wx方向以VX速度移动，沿Wz方向以VZ速度移动，且斜锥圆台工件绕正圆锥体中心轴线以角速度W(t)转动；同时输出激光束开始激光加工，所述激光加工是基于聚焦激光束在工件表面作直写运动的任意一种工艺技术。本发明中激光加工头的运动规划十分简便，同时本发明将复杂的匀速圆锥曲线运动轨迹规划转化为单一旋转台转速的精确变速运动规划，可以获得精确的加工轨迹和稳定的加工工艺质量。
【专利说明】
一种斜锥圆台的等速椭圆轨迹激光精密加工方法
技术领域
[0001] 本发明属于激光加工领域，具体涉及一种斜锥圆台的等速椭圆轨迹激光精密加工 方法。
【背景技术】
[0002] 圆锥曲线是指由平面截取圆锥面而获得的轮廓线。在空间中，取直线1为轴，直线 V与1相交于〇点，其夹角为α,ν围绕1旋转得到以0为顶点，V为母线的圆锥面，任取平面31， 若它与轴1交角为β(π与1平行，记作β = 0)，则：（1)β>α，平面π与圆锥的交线为椭圆（如图1 所示），若同时满足β = 90°，即平面π与圆锥的轴线垂直，此时平面π与圆锥的交线为圆（如图 2所示），不妨统称为椭圆圆锥曲线；（2)β = α，平面π与圆锥的交线为抛物线；（3)β<α，平面π 与圆锥的交线为双曲线。
[0003] 很多机械零部件都具有圆锥曲线轮廓特征，如三偏心蝶阀的蝶板。三偏心蝶阀的 蝶板是密封面在圆锥体上截取的一定厚度的椭圆形截面的实体。三偏心蝶阀的第一偏心是 指阀座密封面或蝶板厚度方向的等分线阀杆中心相对偏心，第二个偏心是指阀杆与阀门通 道的中心相对偏心，第三个偏心是指圆锥形密封面的中心线与阀门中心线相对偏心。
[0004] 三偏心蝶阀是近些年在水利、石油、化工、冶金及船舶等重要领域应用日益广泛的 新型蝶阀，其是在双偏心蝶阀的基础上使碟板密封面封面旋转一定的角度，形成一个角偏 心，依靠扭力密封，具有密封副零摩擦、零泄漏、耐高温高压、寿命长的特点。为提高三偏心 金属密封蝶阀的密封面耐磨性，延长其使用寿命，一般需对蝶板密封面堆焊或熔覆不锈钢、 钴基硬质合金，以达到规定的硬度、强度、摩擦磨损性能。如果采用激光堆焊或激光熔覆三 偏心蝶板密封面，要求实时调节激光加工头的空间姿态使得激光束始终垂直或以一定偏角 入射、聚焦在蝶板密封面上，并沿着圆锥曲线匀速行进。目前尚未见到通用、精确的椭圆圆 锥曲线的激光精密加工方法。
【发明内容】
[0005] 本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种斜锥圆台的等速椭圆轨迹激光精密 加工方法;采用该方法可以获得精确的加工轨迹和稳定的加工工艺质量。
[0006] 本发明是通过如下技术方案实现的：
[0007] -种斜锥圆台的等速椭圆轨迹激光精密加工方法，包括如下步骤：
[0008] (1)将斜锥圆台工件由仿形夹具装夹在旋转台上，所述斜锥圆台工件待加工的轮 廓曲线为一正圆锥体被平面31截取的椭圆圆锥曲线；要求所述旋转台的回转中心轴线与所 述正圆锥体的中心轴线重合;标记所述椭圆圆锥曲线在与正圆锥体中心轴线垂直的方向上 最高点为Α点、最低点为Β点；
[0009] (2)将加工头安装于斜锥圆台的表面上方，要求使得加工头输出的激光束与正圆 锥体的母线垂直或保持一特定偏角，且激光束聚焦在斜锥圆台工件表面或保持一特定离焦 量;所述加工头具有两个运动自由度，运动的方向分别为Wx和Wz，Wx与正圆锥体中心轴线平 行，Wz与正圆锥体中心轴线垂直；
[0010] (3)控制加工头从椭圆圆锥曲线的初始位置A点开始，以顺时针方向，沿Wx方向以 Vx速度移动，沿Wz方向以Vz速度移动，且斜锥圆台工件绕正圆锥体中心轴线以角速度W( t)转 动；同时输出激光束开始激光加工，所述激光加工是基于聚焦激光束在工件表面作直写运 动的任意一种工艺技术；
[0011]其中：Vx = V〇cosasin γ ; Vz = Vosinasin γ ;
[0012]在椭圆圆锥曲线上沿顺时针方向从Α点到Β点这段，
[0014]在椭圆圆锥曲线上沿顺时针方向从Β点到Α点这段，
[0016] 上述各式中，γ为平面π与正圆锥体底面的夹角，α为正圆锥体中心轴线与正圆锥 体的母线之间的夹角;Vo为预先设计的定值，即激光聚焦光斑在斜锥圆台表面沿着椭圆圆 锥曲线匀速行进的速度大小;T为在椭圆圆锥曲线上沿顺时针方向从A点到B点这段的加工 时间，R〇为激光聚焦光斑在椭圆圆锥曲线的初始位置A点对应的正锥切面半径;Ro. 5 = AQC〇s γ -Rq ; A〇为椭圆圆锥曲线的长轴距离。
[0017] 本发明具有如下有益效果：
[0018] 1、本发明将两个直线运动轴的独立匀速移动与一个旋转轴独立变速转动进行特 定空间方位配置，并进行三轴复合运动编程，实现了一种斜锥圆台的等速椭圆轨迹激光精 密加工方法。激光加工头的运动规划十分简便，只需要两个互相垂直的匀速运动合成即可， 可由激光加工速度Vo出发，计算出所需设定的激光加工头运动速度值Vx和Vz，并且Vx和Vz为 匀速。体现在工程实现中，则是运动机构简单、易行、可靠性高，几乎所有直角坐标系的机床 均可以实现，匀速运动的编程也十分简易，可以保证激光加工头的运动精度和加工质量。
[0019] 2、本发明将复杂的匀速圆锥曲线运动轨迹规划转化为单一旋转台转速的精确变 速运动规划。由激光加工速度Vo出发，即可针对激光聚焦光斑在椭圆圆锥曲线的任意当前 位置（即对应的正锥切面半径Ro)，计算出任意时刻所需设定的旋转台转速值。不同于当前 在匀速圆锥曲线运动轨迹规划领域常见的多自由度(多轴)变位机或机器人编程方法，本发 明方法所需的自由度只有一个，执行机构可以利用简单、精确、可靠的伺服电机，无须传统 的转动-直线运动转换机构，编程十分简易，可以保证激光加工头的运动精度和加工质量。
[0020] 3、本发明可以适用于任意要求等速圆锥曲线轨迹运动规划的场合，不局限于激光 加工，其他等离子体、电弧、电子束等等均可以使用，适用性十分广泛。
【附图说明】
[0021] 图1为平面π与圆锥的交线为椭圆的圆锥曲线示意图；
[0022] 图2为平面π与圆锥的交线为圆的圆锥曲线示意图；
[0023]图3为典型的斜锥圆台工件示意图；
[0024]图4为斜锥圆台工件的装夹示意图；
[0025]图5为具有椭圆圆锥曲线轮廓特征的斜锥圆台工件的加工示意图。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步详细的说明。
[0027] 本发明提供了一种斜锥圆台的等速椭圆轨迹激光精密加工方法，该方法适用于具 有椭圆圆锥曲线轮廓特征的斜锥圆台工件的激光精密加工。
[0028]图3所示为典型的斜锥圆台工件，即三偏心蝶板。图4所示为三偏心蝶板加工时的 装夹示意图，三偏心蝶板5通过夹紧套筒4安装在斜台3上，斜台3通过三爪卡盘6安装在旋转 台7上。
[0029] 不失一般性，本发明设待加工的斜锥圆台工件为由正圆锥体被平面π截取的斜锥 圆台，加工时将斜锥圆台工件由仿形夹具装夹在旋转台上，使得旋转台的回转中心轴线与 正圆锥体中心轴线重合。
[0030] 如图5所示，设0点为正圆锥体中心轴线与圆锥体底面的交点，且设斜锥圆台工件1 装夹好后，平面η截取圆锥得到的椭圆圆锥曲线在Ζ方向（与正圆锥体中心轴线垂直的方向） 最高点为Α、最低点为Β(在装夹好后的初始位置，Α、Β为椭圆的两个长轴端点）。加工头2安装 于斜锥圆台工件1表面上方，要求使得加工头2输出的激光束与正圆锥体母线垂直或保持一 特定偏角（由激光加工工艺而定），且激光束聚焦在斜锥圆台工件1的表面或保持一特定离 焦量（由激光加工工艺而定）。要求加工头2具有两个运动自由度，运动方向不妨设为Wx和 Wz，Wx与正圆锥体中心轴线平行，Wz与正圆锥体中心轴线垂直。
[0031]那么，在进行激光精密加工之前，要先进行椭圆圆锥曲线的等速运动规划，就是让 加工头2沿Wx、Wz方向运动，且斜锥圆台工件1绕正圆锥体中心轴线旋转(不妨设其角速度为 W)，三者运动的合成应当使得激光始终聚焦在斜锥圆台表面或保持一特定离焦量（由激光 加工工艺而定），以及加工头2输出的激光束与正圆锥体母线垂直或保持一特定偏角（由激 光加工工艺而定），同时该激光聚焦光斑在斜锥圆台工件1的表面沿着圆锥曲线匀速行进， 以获得精确的加工轨迹和稳定的加工工艺质量。
[0032]根据如下原理规划加工头2的运动速度和斜锥圆台工件1的角速度W，以实现激光 聚焦光斑在斜锥圆台工件1的表面沿着圆锥曲线匀速行进：
[0033] 设A、B点到正圆锥体中心轴线的垂轴距离分别为Ro和RQ.5，AB = AQ，γ为平面π与正 圆椎体底面之间的夹角(锐角），亦即γ为邮]余角，那么实际操作过程中R〇和Α〇可以借用测 量工具直接由工件实物测出或在斜锥圆台工件的三维计算机几何模型上测量得到，且有 Ro.5-Aocos y _R〇〇
[0034]根据前述设定条件(加工头2具有两个运动自由度，运动方向不妨设为Wx和Wz，Wx 与正圆锥体中心轴线平行，Wz与正圆锥体中心轴线垂直），设加工头2的实际空间运动速度 矢量为水平方向移动速度Vx和竖直方向移动速度Vz的矢量合成，不妨设为V合。为了让激光始 终聚焦在斜锥圆台表面或保持一特定离焦量，Vx与Vz的合成速度V合必须沿母线方向，则有：
[0037]设斜锥圆台工件1绕正圆锥体中心轴线做旋转运动时，A点的线速度为VR，根据正 圆锥体的母线回转导成性质，显然V合丄Vr。
[0038] 设加工头2的实际空间运动速度矢量V合与斜锥圆台工件1绕正圆锥体中心轴线旋 转运动的线速度VR的矢量合成速度为Vo。显然，根据前述设定条件(激光聚焦光斑在斜锥圆 台表面沿着圆锥曲线匀速行进），V〇为预先设计的定值，且Vo与竖直方向夹角为γ。
[0039] 那么
[0042] 由⑴⑵⑶⑷得：
[0043] Vx = Vocosasin γ (5)
[0044] Vz = Vosinasin γ (6)
[0045] Vr = Vocos γ (7)
[0046] 下面进一步分析斜锥圆台工件1绕正圆锥体中心轴线的顺时针旋转运动。由于
[0047] W(t)为待加工点的回转角速度，R(t)为待加工点到正圆锥体中心轴线（回转轴）的 距离；
[0048] 在椭圆圆锥曲线上沿顺时针方向从A点到B点这段，有：
[0049] R(t)=R〇-Vzt (9)
[0050] 将式(9)带入式(8)，得到
[0051] 在椭圆圆锥曲线上沿顺时针方向从B点到A点这段，有：
[0052] R(t)=Ro.5+Vz(t-T) (11)
[0053] 其中，T为在椭圆圆锥曲线上沿顺时针方向从A点至ijB点这段的加工时间，将式（11) 带入式(8)，得到：
[0055] 对于确定形状的斜锥圆台工件1，已知几何参数a和β，那么
[0056] 1)根据(5)、（6)两式，即可由激光加工速度Vo出发，计算出所需设定的激光加工头 运动速度值Vx和Vz，并且Vx和Vz为匀速，Vx和Vz的矢量方向关系是Vx与正圆锥体中心轴线平 行，Vz与正圆锥体中心轴线垂直。
[0057]这也是本发明方法的优点之一，即激光加工头的运动规划十分简便，只需要两个 互相垂直的匀速运动合成即可，体现在工程实现中，则是运动机构简单、易行、可靠性高，几 乎所有直角坐标系的机床均可以实现，匀速运动的编程也十分简易，可以保证激光加工头 的运动精度和加工质量。
[0058] 2)根据（10)、（12)，即可由激光加工速度Vo出发，即可针对激光聚焦光斑在所规划 圆锥曲线的任意当前位置，计算出所需设定的旋转台转速值，可见在所规划圆锥曲线运动 轨迹时，旋转台转速为动态变化的。
[0059] 这也是本发明方法的优点之二，即将复杂的匀速圆锥曲线运动轨迹规划转化为单 一旋转台转速的精确变速运动规划。不同于当前在匀速圆锥曲线运动轨迹规划领域常见的 多自由度（多轴)变位机或机器人编程方法，本发明方法所需的自由度只有一个，执行机构 可以利用简单、精确、可靠的伺服电机，无须传统的转动-直线运动转换机构，编程十分简 易，可以保证激光加工头的运动精度和加工质量。
[0060] 3)本发明的优点之三，可以适用于任意要求等速圆锥曲线轨迹运动规划的场合， 不局限于激光加工，其他等离子体、电弧、电子束等等均可以使用，适用性十分广泛。
[0061] 基于以上原理，本发明提供了一种斜锥圆台的等速椭圆轨迹激光精密加工方法， 包括如下步骤：
[0062] (1)将斜锥圆台工件1由仿形夹具装夹在旋转台上，所述斜锥圆台工件1待加工的 轮廓曲线为一正圆锥体被平面η截取的椭圆圆锥曲线，要求旋转台的回转中心轴线与所述 正圆锥体的中心轴线重合;标记所述椭圆圆锥曲线在Z方向（与正圆锥体中心轴线垂直的方 向）上最高点为A点、最低点为B点（即椭圆圆锥曲线的两个长轴端点）；
[0063] (2)将加工头2安装于斜锥圆台1的表面上方，要求使得加工头2输出的激光束与正 圆锥体母线垂直或保持一特定偏角，且激光束聚焦在斜锥圆台工件表面或保持一特定离焦 量;要求加工头2具有两个运动自由度，运动的方向分别为Wx和Wz，Wx与正圆锥体中心轴线 平行，Wz与正圆锥体中心轴线垂直；
[0064] (3)控制加工头2从椭圆圆锥曲线的初始位置A点开始，以顺时针方向，沿Wx方向以 Vx速度移动，沿Wz方向以Vz速度移动，且斜锥圆台工件1绕正圆锥体中心轴线以角速度W(t) 转动，同时输出激光束开始激光加工，所述激光加工可以是激光焊接、熔覆、切割、标刻等基 于聚焦激光束在工件表面作直写运动的任意一种工艺技术；
[0065] 其中：
[0066] Vx = Vocos〇sin γ ； Vz = Vosinasin γ ；
[0067] 在椭圆圆锥曲线上沿顺时针方向从Α点到Β点这段，
[0069]在椭圆圆锥曲线上沿顺时针方向从Β点到Α点这段，
[0071] 上述各式中，γ为平面31与正圆锥体底面的夹角，α为正圆锥体中心轴线与正圆锥 体的母线之间的夹角;Vo为预先设计的定值，即激光聚焦光斑在斜锥圆台表面沿着椭圆圆 锥曲线匀速行进的速度大小；
[0072] T为在椭圆圆锥曲线上沿顺时针方向从A点到B点这段的加工时间，Ro为激光聚焦 光斑在椭圆圆锥曲线的初始位置A点对应的正锥切面半径;Ro. 5 = Aocos γ -Ro; Ao为椭圆圆锥 曲线的长轴距离（即AB的长度）。
[0073] 本发明可改变为多种方式对本领域的技术人员是显而易见的，这样的改变不认为 脱离本发明的范围。所有这样的对所述领域的技术人员显而易见的修改，将包括在本权利 要求的范围之内。
【主权项】
1. 一种斜锥圆台的等速楠圆轨迹激光精密加工方法，其特征在于，包括如下步骤： (1) 将斜锥圆台工件由仿形夹具装夹在旋转台上，所述斜锥圆台工件待加工的轮廓曲 线为一正圆锥体被平面η截取的楠圆圆锥曲线;要求所述旋转台的回转中屯、轴线与所述正 圆锥体的中屯、轴线重合;标记所述楠圆圆锥曲线在与正圆锥体中屯、轴线垂直的方向上最高 点为A点、最低点为Β点； (2) 将加工头安装于斜锥圆台的表面上方，要求使得加工头输出的激光束与正圆锥体 的母线垂直或保持一特定偏角，且激光束聚焦在斜锥圆台工件表面或保持一特定离焦量； 所述加工头具有两个运动自由度，运动的方向分别为和Wz，Wx与正圆锥体中屯、轴线平行， Wz与正圆锥体中屯、轴线垂直； (3) 控制加工头从楠圆圆锥曲线的初始位置A点开始，W顺时针方向，沿Wx方向WVx速度 移动，沿Wz方向WVz速度移动，且斜锥圆台工件绕正圆锥体中屯、轴线W角速度W(t)转动；同 时输出激光束开始激光加工，所述激光加工是基于聚焦激光束在工件表面作直写运动的任 意一种工艺技术； 其中：Vx = V〇cos口sin 丫；Vz = V〇sin口sin 丫； 在楠圆圆锥曲线上沿顺时针方向从A点到B点运段，在楠圆圆锥曲线上沿顺时针方向从B点到A点运段，上述各式中，丫为平面η与正圆锥体底面的夹角，α为正圆锥体中屯、轴线与正圆锥体的 母线之间的夹角;Vo为预先设计的定值，即激光聚焦光斑在斜锥圆台表面沿着楠圆圆锥曲 线匀速行进的速度大小;T为在楠圆圆锥曲线上沿顺时针方向从A点到B点运段的加工时间， Ro为激光聚焦光斑在楠圆圆锥曲线的初始位置A点对应的正锥切面半径;Ro.5=Aocos 丫-Ro; Ao为楠圆圆锥曲线的长轴距离。
【文档编号】B23K26/70GK106077947SQ201610539633
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月5日
【发明人】曹宇, 姜小霞, 刘文文, 张健, 朱德华, 何安
【申请人】温州大学